基于CAD技术的建筑结构设计应用分析

　　摘要：CAD技术在建筑设计领域得到越来越广。对CAD技术在建筑工程设计中的应用的优缺点进行了阐述，对国内应用较为广泛的设计软件进行了说明，并对应用中存在的问题以及发展趋势进行了分析和研究。
　　关键词：CAD技术；结构设计；PKPM；TBACCA
　　计算机辅助设计（CAD）系统在建筑设计领域得到越来越广泛的应用。尤其是近年来高层建筑结构分析理论的逐步成熟，极大地推动了我国高层建筑的发展。
　　1．CAD技术在建筑工程设计中的应用特点
　　1．1CAD技术在建筑工程设计中的优点
　　CAD的智能化将部分取代设计师的一些设计工作，而CAD对设计的标准化、产业化起着巨大的推动作用。随着信息技术、网络技术的发展，跨地区合作设计，异地招投标、设计评审也将普及。
　　建筑设计的精度一般标注到毫米，结构计算的精度也不是很高，施工时的精度更低，但对于一些特型或规模大、复杂的建筑离开了CAD困难将成倍增长。CAD在日影分析、室内声场分析、灯光照度分析等方面的计算精度、速度也是手工计算无法比拟的。
　　一些相近、相似的工程设计，图纸只要简单修改一下就行了，或者直接套用，CAD软件可以将建筑施工图直接转成设备底图，使水暖、电气的设计师不会在描绘设备底图上浪费时间。而且现在流行的CAD软件大多提供丰富的分类图库、通用详图，设计师需要时可以直接调入。
　　CAD制作的建筑效果图其透视关系、光影关系、建筑材料的质感，都可真实再现，惟妙惟肖。CAD制作效果图优势还在于，只要建筑的三维模型搭建完成，就可以任意指定透视角度，模型材质，快速生成多张效果图而无需从头做起，这是传统手绘效果图无法比拟的。
　　1．2CAD技术在建筑工程设计中的缺点
　　CAD技术在给建筑设计业带来巨大效益的同时其负面作用也日益显现，值得深思。
　　由于电脑屏幕尺寸的限制，设计师关注的往往是设计的局部，对全局的把握有一定影响，使得整个建筑物的比例、体量失控。CAD的精确性要求其每一笔都要有准确的数据，使得方案设计中需要的模糊性、随机性被扼杀，设计缺乏灵感。另一方面CAD软件自身功能的局限性以及设计师对CAD软件掌握的熟练程度，使得建筑师好的灵感、创意不能通过CAD表达出来，建筑师的思想、思路、灵感被束缚。
　　建筑是一门融科技、艺术、文化、哲学于一体的学科。建筑既是一件商品，也是一件艺术品。CAD的标准化、工业化使得建筑作品千篇一律，缺乏灵气、缺乏个性和人情味，建筑已经变为纯粹的商品。而最有艺术气息的手绘建筑效果图，也将要被电脑效果图取代，电脑效果图虽然正式可信，快捷方便，但它缺少手绘图所体现的个性，以及设计师笔下流露的特有的感觉。
　　CAD技术使得设计师不得不面对计算机病毒，CAD软件本身的更新升级，电脑资料的保存等一些不可靠因素。由于上述一个或几个原因设计师就得停止工作，去解决与设计无关的问题，或者由于设计师的误操作和对CAD知识掌握不够，可能辛苦几天甚至几年的设计成果被误删、覆盖付之东流。
　　2．建筑结构设计主要分析软件
　　2．1PKPM系列
　　PKPM系列结构设计绘图软件,由中国建科院结构所研制开发,采用FORTRAN语言编写,以AUTOCAD做绘图支持软件。主要软件有:（1）钢筋混凝土框、排架及连续梁结构计算与绘图软件；（2）PMCAD结构平面设计及软件；（3）TATSATWE高层建筑结构三维分析计算程序；（4）EF弹性地基梁筏板基础结构CAD；（5）JLQ剪力墙结构计算机辅助设计；（6）STS钢结构辅助设计。
　　其优点是:这批软件既可接力运行,亦可独立操作,使用相当方便,稍具CAD基础知识及有一定的结构知识和经验的人员均可使用。由于其较强的人机交互功能和绘图功能,以及适应性很好的前后处理功能,可以实现从结构分析到施工图绘制的全过程。其不足之处是:尺寸标注及梁柱断面图太多,且难以人工调整,计算结果亦太保守。
　　2.2TBACCA系列
　　TBACCA系列建筑工程辅助设计系统软件,由北京建筑工程设计软件研究院开发,其主要软件有:（1）TBSACAD多层及高层建筑结构辅助设计系统；（2）TBTS高层及多层建筑结构空间分析系统；（3）TBFECAD辅助地基设计系统；（4）TBLBLTCAD梁板楼梯辅助设计软件；（5）TBSSCAD钢桁架辅助设计。
　　此外该系统尚含有建筑、城规、电气、水、暖等专业软件。这批软件的特点是编制紧凑,操作简单,适用范围广泛,同样可实现结构分析到施工图绘制的全过程。但它不能用于计算多塔楼结构,同时由于在现浇结构计算中未考虑楼板对梁抗扭刚度的影响,因而计算结果一般难以满足抗扭要求。
　　3．结构设计过程中存在的主要问题及解决方法
　　（1)一些软件使用较为复杂,用户不易掌握,而且出图质量不高,很多情况下设计人员必须对设计出的图形进行一些修改,才能满足设计要求。由于这些软件大都基于AUTOCAD软件平台,所以如果设计者不熟练掌握CAD技巧,那么对设计图形进行编辑修改是非常困难的。
　　（2)国内设计软件大都是单机版,资源浪费严重。各设计院对同一套软件需要重复购买,而软件比较昂贵,使得设计部门投入较大,对普及计算机辅助设计带来了一定的困难,所以建立网络CAD系统势在必行。计算机网络是近年来飞速发展的一个领域,它的最大特点是资源共享、信息传递,在一些发达国家,计算机网络遍布各个行业,而在建筑设计方面更为普遍。
　　（3)近年来,计算机辅助设计给结构设计带来了革命性的变化,随着计算机硬件和软件的进步,CAD自动化程度越来越高,工程师们可以很快的完成复杂结构的分析与设计。正因如此,使得一部分人忽略、淡化了重要的设计概念,过分依赖于计算机,以至于在计算中出现差错。所以为了避免此类问题的发生要做到以下几点:首先,必须以概念设计为主导,根据建筑物的功能、高度和结构自身受力特性等来选择合适的结构体系,如框架结构、剪力墙结构、框剪、筒体结构等。其次,了解程序的基本假定、适用范围,根据不同的工程选择不同的模型进行分析计算。随着社会的发展,设计思想不断更新,结构体系日趋多样化,建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂。第三,正确选择软件。高层建筑结构三维空间分析软件常见的有薄壁杆件模型、壳元模型,如等平面框架、排架软件的底层框架空间分析程序等。设计人员应根据工程受力特点及结构形式正确选用相应力学模型的分析软件。对于一些大中型重要工程应采用两种以上不同理论模型进行比较,选择更合理的计算结果。
　　4．CAD在建筑工程应用中的发展方向
　　（1)科学计算可视化。科学计算可视化是发达国家于20世纪90年代后期提出并发展起来的新兴技术,是指将科学计算过程和产生数据转换为图形及图像信息,在屏幕上显示并进行交互处理。作为科学发现与理解的强有力工具,在土木工程领域中,可视化研究有广阔的应用前景。
　　（2)向设计的全过程拓展,实现一体化和智能化。国外建筑工程领域在20世纪80年代已开始了设计全过程一体化的研究。美国和西欧一些国家曾联合组成专门委员会,致力于开发通用服务系统,支持全球建筑设计信息交换,并研究了建筑工程模式与图形数据交换统一标准。人工智能辅助设计是CAD的另一个重要发展方向,带有内置专用知识的人工智能,能完成面向对象的参数设计,能方便地评价设计的完善性,提供易于使用的工具,在全过程设计中,引导设计人员在较高层次上自动完成分析及设计,同时保证在遵守现有标准允许的范围内优化设计方案,改善分析及设计的质量。
　　参考文献:
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